Nejsilnější lasery světa potřebují dokonalé klima

Ve strojovně laserového centra to hučí tak silně, že člověk stěží slyší ostatní. Vše je tu však klidné a organizované, lidé tu kmitají rychle a soustředěně. Strojovna je umístěna devět metrů pod zemí a je tak rozlehlá, že od vchodu člověk ani zdaleka nedohlédne na druhý konec.

Není divu, tato hala je energetickým srdcem evropského výzkumného centra ELI Beamlines v Dolních Břežanech u Prahy, kde se dělají pokusy s nejsilnějšími lasery na světě. Například laser číslo 4 dosahuje výkonu až 10 petawattů v ultrakrátkých pulzech. Pro srovnání, v takovém okamžiku je to zhruba 2000krát vyšší výkon, než jaký produkují všechny elektrárny na světě dohromady. A strojovna je místem, které pomáhá celou infrastrukturu i s 350 zdejšími zaměstnanci držet v chodu.

Celkem je tu instalováno 250 vzduchotechnických jednotek, jejichž úkolem je kromě zajištění čerstvého vzduchu zdejším pracovníkům především udržet stabilní prostředí pro vědeckou část centra, tedy pro haly s lasery. „Máme tady devět tisíc metrů čtverečních čistých prostor, což je celkem světový unikát. Takto rozlehlých čistoprostorových objektů na světě příliš není,“ říká Roman Kuřátko, vedoucí oddělení infrastruktury budov a IT v ELI Beamlines. Čistý prostor znamená přísně kontrolované prostředí, kde se v jednom krychlovém metru vzduchu smí nacházet jen určité množství částic o velikosti 0,5 mikrometru a větších.

Běžný vzduch, jaký dýcháme například v kancelářích, vůbec v čistých prostorách být nesmí, protože poletující mikročástice by při pokusech s lasery mohly poškodit zařízení. „Proto tady kaž­dou hodinu přes vzduchové HEPA filtry otočíme zhruba milion kubíků vzduchu. To je zhruba tolik, kolik vydýchá čtyřčlenná rodina za celý život,“ přirovnává Kuřátko, zatímco ve strojovně ukazuje široké potrubí z pozinkovaného plechu a plastu, jehož hlasité šumění prozrazuje silný nápor proudícího vzduchu.

Mají hned dva typy vzduchotechniky

Jelikož je při vědeckých pokusech třeba úplně zabránit kontaminaci okolního prostředí, prochází laserový paprsek nerezovými trubkami, ve kterých je vakuum, tedy vzduchoprázdno. I proto tady mají vakuové pumpy. Větráním, tedy přísunem čerstvého vzduchu z vnějšího prostředí, vytváří ELI tlakovou kaskádu. „Tlačíme vzduch do objektu a tvoříme v něm přetlak. Tím zabraňujeme vniku částic dovnitř. To zajišťuje specifický typ vzduchotechnické jednotky, které říkáme čerstvovzdušná. Jedná se asi o 10 procent objemu vzduchu. V některých místnostech s technickým zařízením udržujeme stabilní mírný přetlak směrem z čistšího do špinavějšího prostředí,“ vysvětluje Kuřátko, proč se z laserových hal vychází dvojitými dveřmi s meziprostorem. Je to právě z důvodu, aby se haly nikdy neotevřely úplně a přetlak zůstal zachován.

Filtraci vzduchu zajišťuje ELI pomocí jiného typu vzduchotechnických jednotek, takzvaných cirkulačních. Jejich cílem je točit velké množství vzduchu přes HEPA filtry a tím ho promývat, tedy zbavovat částic, a také rychle reagovat na změny vnitřního klimatu. „Když v hale zapneme některou z energeticky náročných technologií, začne vyzařovat velké množství tepla a to odebereme, tedy vzduch ochladíme, nejrychleji pomocí těchto jednotek – realizují zhruba 90 procent objemu vzduchu,“ upřesňuje Kuřátko.

Odchylka více než půl stupně Celsia vadí

Strojovna a v ní umístěný propracovaný systém vzduchotechniky jsou jen jednou z ukázek, jak náročné podmínky musí splňovat stavba, v jejíchž útrobách se odehrává fyzikální výzkum. Hlavním úkolem budovy je udržet stabilní vnitřní prostředí, a to i co se týká teploty a vlhkosti. „I když lasery zrovna neběží, musíme udržovat stálou teplotu v halách 20 °C, s odchylkou maximálně půl stupně nahoru či dolů. Takto nastavená teplota musí zůstat v zimě i v létě stabilní, protože jakákoliv větší odchylka by mohla ovlivnit roztažnost kovových zařízení, a tedy zmařit pokusy,“ pokračuje Roman Kuřátko, zatímco procházíme jednou ze tří hlavních budov břežanského centra.

Nejsilnější lasery světa potřebují dokonalé klima

Dalších 9
fotografií

U vlhkosti může odchylka dosáhnout maximálně pěti procent. Proto se zde klade velký důraz na měření vnitřního prostředí, které zajišťuje 65 tisíc datových bodů, tedy například teploměrů, měřičů vlhkosti a tak dále. Každou hodinu přitečou z těchto bodů do datového centra miliony dat nejrůznějšího typu, které BMS, tedy Building Management System, postupně vyhodnocuje a upravuje podle nich energetický chod budovy.

Roman Kuřátko a jeho tým nyní pracují na projektu, kdy by vyhodnocení dat a řízení vnitřního prostředí budovy postupně převzala umělá inteligence. „Vyvíjíme programové kódy, které řídí jednotlivé technologie v budově, optimalizujeme je a nabízíme je zdarma k použití ostatním vědeckým centrům v Evropě,“ říká náš průvodce. Společně s firmou IBM také vyvíjejí matematické modely, které by způsob řízení posunuly na skutečně vysokou úroveň a celou energetiku budovy by řídila pouze a přímo AI.

„Díky analýze dat ze senzorů se umělá inteligence naučí chápat vzájemné souvislosti a dokáže i na základě drobných odchylek předvídat potřeby budovy a plynule přizpůsobovat její chod,“ přibližuje Kuřátko a rovnou to ilustruje na příkladu: Někdo v jedné hale otevře dveře a AI dokáže předpovědět, jestli to ovlivní třeba proudění vzduchu nebo teplotu v jiné hale, případně další aspekty klimatu v celém centru. „Mezi velkými vědeckými centry napříč Evropou jsme v těchto aktivitách průkopníky,“ podotýká. Již nyní má ELI Beamlines řízení klimatu pomocí AI implementované na jedné z hal a s IBM systém testuje a dále vyvíjí.

Cesta k větší energetické nezávislosti

Velkým tématem pro ELI Beamlines je energetika, respektive snížení energetické náročnosti chodu celého komplexu budov. Centrum ročně spotřebuje 15 gigawatthodin energie, z toho 70 procent jde do budov, zbylých 30 na provoz samotných laserů. Otevřeno bylo v roce 2015, ovšem v té době nebyly součástí centra obnovitelné zdroje energie. Jelo čistě na elektřinu ze sítě. Situace se změnila před dvěma lety, kdy se centrum plně pustilo do zprovoznění obnovitelných zdrojů. Jedním z opatření bylo pořízení fotovoltaických panelů na střechy, které ELI spustilo v roce 2024. „Nyní tu máme celkem 665 panelů a ty pokrývají maximální využitelnou plochu,“ říká vedoucí komunikace Michael Vích a prochází přitom pavučinou plechových můstků, chodníčků a schůdků, které se táhnou pár centimetrů nad povrchem střechy. V místech, kde nejsou fotovoltaické panely, ji zdobí rozchodníky, mechy a další pokryvné rostliny. Celkem více než šest set zdejších panelů vyrobí 310 megawatthodin energie ročně, v závislosti na počasí a svitu slunce.

Druhým prvkem, který centrum v rámci optimalizace své energetické bilance před dvěma lety instalovalo, je kogenerační jednotka. Spaluje plyn, vytváří teplo a jako vedlejší produkt také elektřinu. Tuto jednotku má centrum umístěnou v areálu nedaleko hlavní budovy. Její dominantou je vysoká bílá akumulační nádrž s vodou. Roman Kuřátko se na ni dívá s hrdostí. „Obsahuje 100 m3 vody, kterou díky jednotce předehřejeme na 90 °C. Dokážeme pak udržet teplo v objektech až po dobu 16 hodin, i když je kogeneračka vypnutá,“ pochvaluje si. Od zahájení provozu vyrobila přibližně 3 MWh elektřiny a 3,5 MWh tepla.

Obnovitelné zdroje snížily uhlíkovou stopu centra

Kogenerační jednotka spolu s fotovoltaikou nyní ELI Beamlines dodávají zhruba 11 procent energie potřebné na provoz. Obojí centrum pořídilo díky evropským dotačním titulům na obnovitelné zdroje. Panely byly dotovány zcela, takže centru od začátku přinášejí jenom úsporu, kogenerační jednotka byla dotována částečně a finanční návratnost celkové investiční hodnoty bez započtení dotace je nyní, ve třetím roce fungování, zhruba v půlce. „Její životnost je však 25 let, takže celkově se nám bohatě vyplatí. Navíc to ukazuje, že se jednalo o vhodnou investici, ne pouze o ‚ždímání‘ evropských fondů,“ bilancuje Kuřátko.

Pro laserové výzkumné centrum poskytuje kogenerační jednotka ještě jednu výhodu, a to že chrání před takzvanými mikrovýpadky. Jde o drobné kolísání napětí v síti, které běžní lidé v domácnostech ani nepostřehnou, ale pro tak výkonná a citlivá zařízení, jako jsou supersilné lasery, je to zásadní problém, protože vypadávají z provozu. Kogenerační jednotka, která běží stabilně, však kolísání napětí vykrývá a zahlazuje.

„Víme, že fotovoltaické panely a kogeneračka dnes již nejsou příliš inovativní technologie, má je kdekdo. Snažíme se ale nad energetikou centra přemýšlet jako o uceleném ekosystému. Není to jen o jedné technologii. Jde nám o diverzifikaci zdrojů – abychom nebyli závislí jen na energii ze sítě – a také o stabilizaci naší vlastní energetiky,“ vysvětluje Kuřátko. Díky snížení spotřeby elektřiny a výrobě vlastní energie centrum za poslední dva roky uskromnilo i svou uhlíkovou stopu. „Dosáhli jsme snížení zhruba o 10 procent. Pořád ale centrum vytváří 486 kilogramů emisí za hodinu,“ podotýká Patricia Bugáňová, která má na starosti ESG a udržitelnost. Na obrazovce tabletu přitom předvádí propracovanou 3D vizualizaci budov centra, která umožňuje nastavit různé podmínky energetického mixu a sledovat, jak se v jejich návaznosti mění uhlíková stopa celého komplexu. Kvůli důrazu na zvýšení podílu obnovitelných zdrojů se centrum rozhodlo v rozvíjení fotovoltaiky pokračovat a zvažuje instalaci panelů na další plochy v areálu či jeho okolí.

Stavba

Stáhněte si přílohu v PDF

Ovce, včely i spolupráce na vytápění obce

Při procházce areálem tohoto high‑tech centra možná leckoho překvapí, když mu za zády nečekaně zabečí ovce. „Zaměstnanci jsou na ně už zvyklí, chodí se o ně starat,“ říká s úsměvem Michael Vích. Stádo ovcí je další prvek zakomponování udržitelnosti do chodu centra. „Místo tradičního sečení jsme na část pozemků pustili ovečky, které se starají o přirozenou údržbu vegetace. Tento jednoduchý nápad ukázal, že i moderní vědecký areál může dát prostor přírodním procesům a hledat alternativní způsoby péče o své okolí,“ přibližuje Vích, zatímco pozorujeme huňaté ovce s černým čumákem, jak se nebojácně popásají kolem.

Z důvodu rozvíjení biodiverzity pořídilo ELI Beamlines také dvě včelstva, která zde velmi dobře prospívají a centrum už má od nich vlastní med. „Současně jsme na vybraných plochách omezili pravidelné sečení a umožnili vznik květnatých luk. Tam, kde dříve převládaly pravidelně udržované trávníky, dnes rozkvétají desítky druhů rostlin poskytujících potravu včelám, čmelákům, motýlům i dalším opylovačům,“ dodává Bugáňová.

ELI Beamlines se v posledních letech soustřeďuje také na komunitní energetické projekty, jako je například evropský projekt HeaTogether. Spolupracuje na něm s obcí Dolní Břežany a společností Sev.en Energy. „Odpadním teplem z chlazení laserů bychom zajišťovali dodávky energie pro celou obec. Chtěli bychom nasadit tepelné čerpadlo a toto přebytečné teplo posílat na vytápění jak nám, tak obci,“ plánuje Vích.

Článek byl publikován ve speciální příloze HN Stavba.